馬宏毓 趙 新

（1.中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053； 2.北京中和盛圖測繪有限公司，北京 100079）

0 引言

我國幅員遼闊，歷史悠久，建筑文化遺產(chǎn)資源極為豐富。然而，在目前現(xiàn)代化城市的建設(shè)中，現(xiàn)存的古建筑不同程度地遭到破壞，保護古代建筑及其蘊含的文化價值是目前各個城市面臨的重要課題。古建筑測繪成果為保護、發(fā)掘、整理、利用古代建筑遺產(chǎn)，為建筑歷史與理論研究、建筑史教學提供翔實的基礎(chǔ)資料，為繼承發(fā)揚傳統(tǒng)建筑文化、探索有中國特色的現(xiàn)代建筑創(chuàng)作提供借鑒[1]。

古建筑測繪從字面上理解是測量古建筑物的形狀、大小和空間位置，并在此基礎(chǔ)上繪制相應的平、立、剖面圖紙。但是，隨著文化遺產(chǎn)保護理論的發(fā)展以及測繪技術(shù)的革命性變革，古建筑測繪是對古建筑本身、物理信息和人文信息以及隨時間變化的信息適時采集、測量、管理和利用的技術(shù)活動，是建立建筑遺產(chǎn)記錄檔案工作的重要組成部分。在建筑遺產(chǎn)的研究評估、管理維護、保護規(guī)劃與設(shè)計、保護工程實施、周邊環(huán)境的建設(shè)控制以及教育、展示和宣傳等方面起到重要作用。傳統(tǒng)古建筑保護的手段主要依賴于測繪圖紙、文字以及師徒相傳等，這些手段容易造成古建筑信息管理不完整、查詢不方便等弊端。本文提出了一種BIM 技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，創(chuàng)建帶有豐富屬性信息的古建筑三維模型，建立測繪數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)庫、地理信息管理系統(tǒng)等。以工程實例證明該項技術(shù)手段在古建筑保護工作中的優(yōu)勢。

1 傳統(tǒng)古建筑測繪方法

古建筑測繪需要測量建筑物的真實尺寸，各構(gòu)件相對關(guān)系等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其對結(jié)構(gòu)性的大木構(gòu)件如柱、梁、檁、枋等，要進行全面詳細的勘查和測量，對于較高的建筑，只能爬上去測繪，不但精度差，還容易損壞古建筑[2]。用于保護工程的全面勘測，除對建筑的幾何屬性，包括沉降、歪閃等變形情況進行測量外，還要進行工程地質(zhì)勘察、木構(gòu)件腐朽程度探測與記錄、結(jié)構(gòu)可靠性驗算、壁畫彩畫病害分析等。傳統(tǒng)測繪方法常用儀器有皮卷尺、鋼卷尺、水平尺、垂球、全站儀及GPS等，所測的數(shù)據(jù)輸出的都是二維結(jié)果。如繪制建筑物的平、立、剖面圖，總平面圖及大樣圖，文字檔案等。不易對所測得的信息進行統(tǒng)計與整理，這樣保存下來的信息缺乏直觀易讀性、系統(tǒng)性與可繼承性。根據(jù)古建筑物本身形式的特點，測繪方法的難點也在于如何獲取細部數(shù)據(jù)，尤其是對于形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復雜的對象，立面和剖面繪制的工作更是非常繁瑣的。外業(yè)實地測量數(shù)據(jù)時，獲得完整數(shù)據(jù)且精度滿足要求并不容易。尤其對于古建筑中的雕刻、文字、彩畫等進行實地測量時，既要記錄其真實狀態(tài)，同時也要記錄可能由于環(huán)境影響和人為因素產(chǎn)生的剝落、風化、毀壞、殘缺等不同程度的破壞。另外碑刻、文字，是記載建筑歷史的重要文獻依據(jù)，是古建筑保護的核心內(nèi)容之一，傳統(tǒng)方法一般很難對其準確測量還原。本文以密云區(qū)古北口村楊令公祠正殿為例，該殿為廡殿式建筑，圖1、圖2為傳統(tǒng)二維圖紙，正殿南立面圖與剖面圖。

圖1 楊令公祠正殿南立面圖

圖2 楊令公祠正殿剖面圖

2 三維激光掃描技術(shù)原理及優(yōu)點

三維激光掃描技術(shù)作為一種高精度的全自動立體掃描技術(shù)，是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。它能將實物的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了相當方便快捷的手段，而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件對接。它突破了傳統(tǒng)測繪的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。在無接觸情況下獲取以上所有信息，保證了其真實性和歷史感，也不會對建筑有任何破壞，圖3為楊令公祠正殿三維掃描點云南立面影像截圖。

圖3 楊令公祠正殿三維掃描點云影像截圖

3 BIM 技術(shù)在古建筑測繪中的優(yōu)勢

BIM 是建筑信息模型的簡稱，是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)建立的模型，它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點。REVIT 軟件以三維激光掃描儀掃描的三維點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建BIM。繪制模型的過程，也就是對古建筑全部數(shù)據(jù)、信息錄入的過程，模型是嚴格依據(jù)測繪數(shù)據(jù)而生成，測繪所得的所有數(shù)據(jù)信息都包含在這個數(shù)字模型里，在創(chuàng)建模型的同時，將相對應的材質(zhì)、名稱等屬性信息進行錄入并定義。在繪制完成后，這些數(shù)據(jù)便會出現(xiàn)在“族類型”列表中，這樣在準確記錄模型形狀的同時，又把模型的數(shù)據(jù)信息直觀、清晰地展現(xiàn)了出來。

古建筑繪圖工作繁瑣，形制尺度的規(guī)定也較多，但是區(qū)別于現(xiàn)代建筑，古建筑的固定搭接、模數(shù)化的尺度以及特征化的組合等特點，是一種基于特定尺寸構(gòu)件基礎(chǔ)上的“參數(shù)化”的設(shè)計與搭建過程。便于實現(xiàn)參數(shù)化的古建筑模型，減少重復工作[3]。

運用REVIT軟件中“族”這一功能，自定義所需構(gòu)件模型參數(shù)，通過分析模型構(gòu)件的特征，選擇用“拉伸、放樣和融合等”命令，或疊加幾個命令共同使用。族的狀態(tài)是通過幾個參數(shù)進行控制的，當我們再次遇到相同或相似構(gòu)件時，可直接修改參數(shù)即可使用。形式相同的構(gòu)件，只需復制并重命名其屬性信息即可得到一個新的相同尺寸的構(gòu)件，這種操作方法不僅提高效率，而且易于對古建筑構(gòu)件進行分類和統(tǒng)計，有助于對古建筑進行整體、系統(tǒng)地研究。BIM 技術(shù)創(chuàng)建的三維模型相比二維的傳統(tǒng)CAD圖紙，優(yōu)勢更為突出。圖4為楊令公祠正殿BIM 截圖。

圖4 楊令公祠正殿BIM 截圖

4 實例對比分析

圖5、圖6為楊令公祠正殿檐柱部位正立面與東立面的現(xiàn)場照片。圖中線框部分為本次對比研究的主要部位。

圖5 楊令公祠正殿檐柱部位南立面照片

照片顯示的部位含有構(gòu)件檐柱、檐檁、檐墊板、檐枋、抱頭梁、穿插枋及雀替等。

傳統(tǒng)測量方法，需要對此部位進行三視圖的繪制以及繪制剖面、局部大樣圖等。繪制過程繁瑣且需要同時考慮相連接構(gòu)件之間的相對關(guān)系及尺寸，容易增加出錯的概率。圖7為該部位三視圖。

圖6 楊令公祠正殿檐柱部位東立面照片

圖7 檐柱部位三視圖

在REVIT軟件中，換了一種思路，是以單體構(gòu)件為單位，不需要綜合考慮所有構(gòu)件的相對搭接關(guān)系，分成兩步先把單個構(gòu)件創(chuàng)建準確，再進行相互搭接。這樣更容易減少錯誤的產(chǎn)生。類似模擬還原建設(shè)房屋的步驟過程，把建筑重新復建起來。圖8為BIM 構(gòu)件單位分解截圖，圖9、圖10為BIM 構(gòu)件搭接后正側(cè)立面截圖。

圖8 與檐柱搭接的各構(gòu)件單體示意圖

圖9 組合后檐柱部位正立面示意圖

圖10 組合后檐柱部位側(cè)立面示意圖

再通過設(shè)定標高、軸網(wǎng)等命令，運用REVIT軟件中提供的立面、剖面剖切功能，從而自動生成所需部位的二維、三維圖（見圖11）。信息更完整，精度也更高。

圖11 導出所需部位二維、三維圖

同時REVIT 軟件中提供的明細表功能，能很好的用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面的工作。在一個BIM 中，對每個構(gòu)件進行命名，它們以族或者實例的狀態(tài)獨立存在，我們可以定義族或者實例的結(jié)構(gòu)類型、材料等相關(guān)屬性，當我們需要系統(tǒng)、直觀地得到某一類型下實例的特定信息時，只需要建立一個相關(guān)類型的明細表，將所需要的屬性一一調(diào)出即可（見圖12）。

BIM 的直觀可視性，大大降低了研究古代建筑卯榫結(jié)構(gòu)的難度，通過圖紙，靠空間想像力去理解卯榫結(jié)構(gòu)實在是效率又低，難度又大。通過對模型的尺寸分析、搭接方式分析，可以快速理解掌握其中的精髓。如圖8所示，可以非常清晰直觀地看到每個部位搭接方式，讓我們從“師傅帶徒弟”這種單點傳承方式中解脫出來。在由衷贊嘆古人智慧的同時，讓更多的人真正了解、掌握卯榫結(jié)構(gòu)，而不是只知道中國古建筑大木結(jié)構(gòu)很厲害和“墻倒屋不塌”這一句話。要知其然，更要知其所以然。

圖12 導出部位明細表

5 結(jié)語

在逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，三維激光掃描技術(shù)彌補了傳統(tǒng)的古建筑測繪工作中細部數(shù)據(jù)獲取難度大、精度低的這一缺點。結(jié)合BIM 技術(shù)的發(fā)展，逆向建模還原我們的古建筑。指導其測繪、保護、修繕等工作的進行。同時，因為模型是單體的形式組合而成，研究者能夠以直觀、細化的角度去研究和剖析古建筑結(jié)構(gòu)單體中的每一個細節(jié)，例如榫的選擇形式及傳統(tǒng)工藝技巧等。從中發(fā)掘出新的思路和價值，借鑒吸收古代建筑中的營養(yǎng)，讓傳統(tǒng)古建筑技術(shù)得以傳承和延續(xù)，讓建筑之路充滿中國特色。